基于認知學(xué)徒制的虛擬學(xué)習(xí)情境的設(shè)計與實踐

摘 要：虛擬現(xiàn)實是目前新興發(fā)展的技術(shù)學(xué)科，主要將真實的場景進行虛擬化，認知學(xué)徒制是一種在情境認知和學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下建立起來的學(xué)習(xí)方法。文章將兩者進行結(jié)合，解決了后者無法構(gòu)建真實場景的缺陷，通過在《C語言程序設(shè)計》中的“函數(shù)設(shè)計”知識點的講解，提高了學(xué)生對于學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，為更好構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)情境提出了方向。

關(guān)鍵詞：C語言程序設(shè)計；虛擬現(xiàn)實；認知學(xué)徒制

作者簡介：陳暄（1979-），男，安徽祁門人，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向為課程設(shè)計改革、算法設(shè)計。

基金項目：浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于認知學(xué)徒制的虛擬學(xué)習(xí)情境的設(shè)計與實踐”（編號：2016SCG245），主持人：陳暄。

中圖分類號：G712 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-7518（2016）26-0072-04

認知學(xué)徒制就是一種將傳統(tǒng)學(xué)徒制與學(xué)校教育相互結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生完全浸潤在專家實踐環(huán)境中的方式；虛擬學(xué)習(xí)情境主要是依靠現(xiàn)代化的信息技術(shù)來構(gòu)造逼真的學(xué)習(xí)情境，創(chuàng)造吸引學(xué)生的嶄新的學(xué)習(xí)環(huán)境[1]。認知學(xué)徒制與虛擬學(xué)習(xí)情境進行結(jié)合，一方面發(fā)揮認知學(xué)徒制的優(yōu)勢，另一方面構(gòu)建有利于教學(xué)的環(huán)境因素，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

一、認知學(xué)徒制的虛擬情境設(shè)計的基本理論

（一）認知學(xué)徒制

認知學(xué)徒制是在情境認知和學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下建立起來的一種可以滿足不同類型的課堂和師生環(huán)境的學(xué)習(xí)方法[2]，它可以有效地彌補傳統(tǒng)課堂教學(xué)中存在的不足，包含內(nèi)容、方法、序列和社會性四個部分組成。在這樣的環(huán)境中，教師為學(xué)生提供實際的操作工具，學(xué)生通過對這些實際工具的應(yīng)用來獲得相應(yīng)的知識，避免傳統(tǒng)課堂在教學(xué)過程中的枯燥，提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率。

（二）虛擬現(xiàn)實教育的概念及內(nèi)涵

所謂虛擬現(xiàn)實教育是將虛擬技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域中，教師與學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)造學(xué)習(xí)情境從而完成交互學(xué)習(xí)的一種觀念。它與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)理念具有以下的區(qū)別：

1.學(xué)習(xí)目的改變。學(xué)習(xí)的目的都是為了能夠使得學(xué)生獲得知識。在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者主要學(xué)習(xí)理論知識，對于實踐性的知識由于某些條件的限制無法進行實踐，而在基于虛擬現(xiàn)實的學(xué)習(xí)情境中，將實踐知識的學(xué)習(xí)放置在重要的位置，引導(dǎo)學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)之后，在虛擬情境中完成對實踐知識的學(xué)習(xí)。

2.學(xué)習(xí)方式的改變。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師主要采用面對面的方式進行授課，大部分學(xué)生通過記憶的背景下來獲得知識，這種方式無法激發(fā)學(xué)生的積極性，甚至?xí)寣W(xué)生產(chǎn)生只要在備考的時候多背誦就能通過考試的感覺，因此學(xué)生對于學(xué)習(xí)知識的重視程度逐漸降低。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將知識由記憶型變換為生動型，通過虛擬化的場景引導(dǎo)學(xué)生改變對學(xué)習(xí)方式的看法，它從周圍的環(huán)境出發(fā)，將學(xué)生與周圍環(huán)境進行交互，在一定程度上激發(fā)學(xué)生對于知識的求知欲望。同時它還不斷挖掘教學(xué)內(nèi)容，將書本中的理論變換成虛擬化的實際場景，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)行為由被動變?yōu)橹鲃?，學(xué)生在輕松愉悅的環(huán)境中學(xué)習(xí)知識，在學(xué)習(xí)的過程中與他人共同研究問題，吸取其他學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，改進自己的學(xué)習(xí)方式。

3.學(xué)習(xí)空間的轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師通過每一節(jié)堂課來為學(xué)生傳授知識，傳授的地點，傳授的時間相對固定，在傳授中，學(xué)生可以向教師求解問題，也可以與其他的學(xué)生進行合作學(xué)習(xí)。當(dāng)教師與學(xué)生不在同一個時間或者同一地點的時候，教師所教授的知識，學(xué)生就無法方便的獲得，學(xué)生之間的的交流就更是無法得知。虛擬技術(shù)的采用在一定程度上解決了這些問題，依托虛擬系統(tǒng)提供交互方式，能夠滿足學(xué)生和教師在課上甚至課后的學(xué)習(xí)和交流，使得學(xué)習(xí)的空間發(fā)生了改變。

4.學(xué)習(xí)觀念的轉(zhuǎn)變。在目前大部分教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容都是理論性較強的內(nèi)容，特別是針對《C語言程序設(shè)計》這樣的類似的程序類的課程，課程的知識是非?？菰?，而且學(xué)習(xí)的模式基本上首先進行理論學(xué)習(xí)，然后再進行上機實踐，這種學(xué)習(xí)方式無法提高學(xué)生綜合能力的發(fā)展。針對目前的學(xué)習(xí)狀況，虛擬現(xiàn)實技術(shù)要求學(xué)生不但通過理論知識獲得技能和方法，更加強調(diào)學(xué)生將理論知識與實踐的技能進行結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生必須重視技能的掌握同時也需要加強理論學(xué)習(xí)的正確價值觀。這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的積極學(xué)習(xí)態(tài)度，促進學(xué)生在學(xué)習(xí)中感受到學(xué)習(xí)的快樂，從而形成積極向上的學(xué)習(xí)觀。

二、虛擬學(xué)習(xí)情境教學(xué)設(shè)計的要素分析

虛擬學(xué)習(xí)情境是一種建立在認知學(xué)徒制教學(xué)模式的基礎(chǔ)上的學(xué)習(xí)模式[3]，它不但符合認知學(xué)徒制的相關(guān)四個方面的內(nèi)容，而且還加入了體現(xiàn)真實學(xué)習(xí)的虛擬活動。

（一）內(nèi)容

學(xué)習(xí)的內(nèi)容在虛擬學(xué)習(xí)情境稱為專家知識，包括專業(yè)知識和策略知識兩個部分。前者主要描述專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)容中的概念和事實，往往存在課本知識和課堂教學(xué)過程中；后者主要是指如何應(yīng)用上述的事實去解決真實問題。在虛擬學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生在情境的交互中通過觀察等方式來獲得知識，然后在此基礎(chǔ)上通過不斷的操作、思考、實踐等反復(fù)步驟，從而明確學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

（二）方法

學(xué)習(xí)的方法主要是為了能夠幫助學(xué)生更好的發(fā)現(xiàn)問題并采用正確的學(xué)習(xí)方法解決問題。在設(shè)計教學(xué)方法的時候鼓勵學(xué)生通過觀察，參與到具體情境中的實踐內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)所學(xué)的真實知識和概念知識相匹配，并啟發(fā)學(xué)生利用現(xiàn)有的各種資源解決問題。在虛擬學(xué)習(xí)情境的教學(xué)方法設(shè)計中分為三個步驟：首先通過示范和指導(dǎo)一個實際的C語言程序的開發(fā)，幫助學(xué)生通過觀察和指導(dǎo)來獲得一些技能；然后對這個程序進行反思，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察教師解決問題的思路，并結(jié)合自己解決這個程序的方法而反思自己的想法；最后是不斷地鼓勵學(xué)生自覺地解決問題。

（三）序列

認知學(xué)徒制主要是為了培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的技能，這就要求課程授課教師需要在不同階段改變學(xué)習(xí)技能內(nèi)容，要求設(shè)計者按照一定的設(shè)計規(guī)則，了解和掌握各個階段的技能培養(yǎng)目標(biāo)。因此如何合理的安排活動的順序起著重要的作用?；谡J知學(xué)徒制的虛擬學(xué)習(xí)情境具備的原則有三個方面：其一是復(fù)雜性原則，主要是幫助學(xué)習(xí)者在完成學(xué)習(xí)的任務(wù)過程中運用教師提出的技能，這里的復(fù)雜性是指將任務(wù)從容易到難進行排序，逐步控制任務(wù)的復(fù)雜性。其二是多樣性原則，當(dāng)學(xué)習(xí)某種技能的過程中，需要引入多樣化的技能任務(wù)，這樣可以讓學(xué)生能夠更好的引導(dǎo)學(xué)生將掌握的技能應(yīng)用到更加多樣化的問題，這樣可以引導(dǎo)學(xué)生解決不熟悉或者新的問題。其三是全局優(yōu)于局部原則，學(xué)生在初學(xué)的時候，應(yīng)該對當(dāng)前所需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有一個總體的印象，然后再對自己所學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行了解，這樣安排的目的是為了讓幫助學(xué)生樹立先從宏觀角度去看待問題，然后從微觀的角度去解決問題，鍛煉學(xué)生看待事物的能力。

（四）社會性

虛擬情境中的社會性主要是指專家對學(xué)生的鼓勵使得學(xué)生產(chǎn)生積極學(xué)習(xí)的信念，特別是鼓勵的內(nèi)容對于學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，學(xué)生的自信以及學(xué)生面對困難的決心起著非常重要的指導(dǎo)作用。在虛擬學(xué)習(xí)情境中，教師與學(xué)生之間，學(xué)生與學(xué)生之間的交流都依靠虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行，幫助他們進行相互交流，相互討論和共同學(xué)習(xí)。

通過構(gòu)建虛擬情境的設(shè)計，將認知學(xué)徒制的四大要素與虛擬活動相結(jié)合。教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生通過虛擬化的場景來進行學(xué)習(xí)情境的互動。

三、虛擬學(xué)習(xí)情境教學(xué)設(shè)計——以《C語言程序設(shè)計》課程為例

本文中以《C語言程序設(shè)計》中的“函數(shù)設(shè)計”知識點為例，描述基于認知學(xué)徒制的虛擬學(xué)習(xí)情境的教學(xué)設(shè)計過程。

（一）授課對象分析

本文選擇的是剛剛進入大一的學(xué)生。在這個階段的學(xué)習(xí)中，學(xué)生們的思維方式還停留在高中的階段，缺乏從整體上對一件事情的抽象性的看法。在教學(xué)的過程中如果只是依靠PPT等工具演示上課的內(nèi)容，無疑限制了學(xué)生的求知欲，因為該階段的學(xué)生對于程序設(shè)計課程具有一定的好奇性，因此，為學(xué)生提供一個能夠吸引學(xué)生的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)顯得非常重要。

（二）學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

“函數(shù)設(shè)計”教學(xué)目的是為了讓學(xué)生認識函數(shù)并使用函數(shù)。大致包括三個方面的學(xué)習(xí)：認識、了解函數(shù)的組成部分，對函數(shù)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進行學(xué)習(xí)；幫助學(xué)生認識到函數(shù)在平時的很多諸如生活中的電子產(chǎn)品的開發(fā)中使用；掌握虛擬學(xué)習(xí)情境的應(yīng)用方法，運用網(wǎng)絡(luò)引擎去搜尋相關(guān)的知識。

（三）學(xué)習(xí)過程分析

1.準(zhǔn)備過程。教師向?qū)W生講解有關(guān)虛擬情境的設(shè)計的構(gòu)建思想以及目的，然后向?qū)W生講述如何進入情境學(xué)習(xí)的方法，緊接著向?qū)W生提出清晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題和解決方法。

2.提出問題。在使用虛擬情境學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)向?qū)W生展示本次學(xué)習(xí)的目的，其次在具體實踐案例中提出大致的問題：第一，函數(shù)的組成有幾部分組成？分別是什么？第二，如何使用該函數(shù)，并打算解決什么問題？第三，設(shè)計幾個函數(shù)完成各自的功能。

3.專家指導(dǎo)。在虛擬學(xué)習(xí)情境中，教師是學(xué)習(xí)的組織者，對學(xué)生的學(xué)習(xí)給予幫助和指導(dǎo)，提醒學(xué)生在學(xué)習(xí)任務(wù)的時候容易遇到不解的地方以及容易忽視的問題，以便能夠更好的幫助學(xué)生獲得知識。通過虛擬情境學(xué)習(xí)的在線功能，可以幫助學(xué)生與教師進行交流，同時方便學(xué)生與學(xué)生之間進行交流。

4.自主學(xué)習(xí)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)進行相關(guān)的學(xué)習(xí)，并在系統(tǒng)的指導(dǎo)下進行相關(guān)函數(shù)知識的掌握，在系統(tǒng)提供的案例中，學(xué)生主要完成：通過觀看視頻教學(xué)后完成對函數(shù)的調(diào)用和使用；通過互聯(lián)網(wǎng)來搜索有關(guān)函數(shù)的課程的后續(xù)的學(xué)習(xí)，了解函數(shù)更多的使用情況。

5.完成作業(yè)。在前幾個階段完成后，學(xué)生需要完成幾個函數(shù)的作業(yè)，學(xué)生可以依靠互聯(lián)網(wǎng)對需要解答的函數(shù)內(nèi)容所涉及的知識點進行搜索，然后完成作業(yè)，但是這里需要特別說明的是，由于作業(yè)的內(nèi)容可以在互聯(lián)網(wǎng)上能夠?qū)ふ业酱鸢?，因此學(xué)生在完成作業(yè)的同時需要準(zhǔn)備PPT，代碼解釋清單等東西，并通過虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)將作業(yè)上傳給教師，讓教師進行評價。

6.階段反饋。在進行完一個階段的學(xué)習(xí)之后，需要進行階段性總結(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)問題（比如函數(shù)的學(xué)習(xí)）進行思考，針對出現(xiàn)的不足進行及時的糾正，同時對問題之外的知識點進行延伸和分析，幫助學(xué)生能夠思考問題，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)獨立性。

（四）評價認知學(xué)徒制虛擬學(xué)習(xí)情境

1.內(nèi)容方面實現(xiàn)的評價。以“函數(shù)設(shè)計”的虛擬情境為例，為了能夠體現(xiàn)學(xué)生對于知識點學(xué)習(xí)，首先應(yīng)該幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)，其次，關(guān)注學(xué)習(xí)內(nèi)容的描述是否能夠讓學(xué)生容易理解。在虛擬學(xué)習(xí)情境的系統(tǒng)中，學(xué)生通過系統(tǒng)中的注釋了解到函數(shù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，在熟悉基本結(jié)構(gòu)之后；學(xué)生依靠虛擬操作使用難度逐漸增大的函數(shù)進行學(xué)習(xí)，從中豐富自己的知識。

2.學(xué)習(xí)方法方面的評價。教師向?qū)W生提供學(xué)習(xí)視頻，進行相關(guān)的示范講解；教師與學(xué)生依靠虛擬情境系統(tǒng)中的在線交流解決學(xué)生提出的問題并進行相應(yīng)的指導(dǎo)；教師引導(dǎo)學(xué)生進行相關(guān)內(nèi)容的搜索，方便學(xué)生采用正確的方式學(xué)習(xí)；教師要求學(xué)生完成幾個關(guān)于函數(shù)的作業(yè)，來促進學(xué)生的清晰表達能力；學(xué)生和教師的相互思考，學(xué)生需要對學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行思考，以及對操作的過程進行思考，并把這些思考寫入到反饋中；同時教師需要在教學(xué)的過程中針對自己的引導(dǎo)方法，引導(dǎo)模式進行思考，并在與學(xué)生的在線交流中反饋自己的思考，并通過日志的方式展示在虛擬情境系統(tǒng)中。

3.序列方面實現(xiàn)的評價。當(dāng)學(xué)生通過虛擬情境熟悉函數(shù)的各個部分組成的時候，系統(tǒng)會相應(yīng)的彈出相關(guān)的解釋說明，對函數(shù)的各個部分進行描述，然后通過演示函數(shù)在某個系統(tǒng)中的過程，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)序列的不斷增加的復(fù)雜性原則。在“函數(shù)設(shè)計”的學(xué)習(xí)中，需要依靠視頻，網(wǎng)絡(luò)和在線交流平臺進行完成，這說明學(xué)生在完成學(xué)習(xí)活動的多樣性。在學(xué)習(xí)“函數(shù)設(shè)計”的過程中，首先明確了“函數(shù)”具有的作用，幫助學(xué)生明白“函數(shù)”學(xué)習(xí)的目的，然后有步驟的學(xué)習(xí)有關(guān)函數(shù)的使用的功能以及在相關(guān)程序中的使用情況，這樣體現(xiàn)了先宏觀看待問題再微觀解決問題的方法。

4.社會性方面實現(xiàn)的評價主要是通過系統(tǒng)的交流平臺，可以幫助學(xué)生與教師進行交流，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進行鼓勵，而學(xué)生也可以通過平臺之間的交流，共同的學(xué)習(xí)，共同的鼓勵。

5.虛擬活動方面實現(xiàn)的評價是在進行“函數(shù)設(shè)計”學(xué)習(xí)的過程中，從函數(shù)的入門學(xué)習(xí)到函數(shù)應(yīng)用在程序中都使用了虛擬化的表現(xiàn)手法，這種表現(xiàn)方法有別于傳統(tǒng)的采用PPT能靜態(tài)講解的方法，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

（五）學(xué)生反饋調(diào)查

為了考察學(xué)生對于該種學(xué)習(xí)方式的興趣。本文還對計算機專業(yè)的三個專業(yè)三個班級共126名學(xué)生進行調(diào)查，從整體印象、實用性、難易性、學(xué)習(xí)效果幾個方面進行調(diào)查。

1.整體印象。在內(nèi)容為“您是否對虛擬的學(xué)習(xí)情境感興趣嗎？”調(diào)查中，選擇非常感興趣有48人，一般興趣為68人，沒有興趣的有10人，因此感興趣一共有116人，占總?cè)藬?shù)比例的92.06%；在內(nèi)容為“您是否接受通過這種虛擬手段教學(xué)方式？”中，選擇非常愿意接受的為32人，一般接受的為78人，不愿意接受的為16人，因此愿意接受的為90人，占總?cè)藬?shù)比例的87.3%。這說明學(xué)生對于這種虛擬情境教學(xué)方式整體印象不錯，樂于接受。

2.實用性。在內(nèi)容為“虛擬的環(huán)境中的函數(shù)構(gòu)造與真實的系統(tǒng)中的函數(shù)構(gòu)造相近嗎？”調(diào)查中，選擇非常相近的有43人，比較相近的有63人，不相近的有20人，其中相近的人數(shù)有109人，占送人數(shù)比例的86.5%；在內(nèi)容為“類似這樣的函數(shù)就存在你身邊的很多系統(tǒng)里面？”調(diào)查中，選擇是的有114人，選擇否的有12人，因此，選擇是的人占總?cè)藬?shù)的比例的90.47%，這說明虛擬對象具有很好的實用性。

3.難易性。在內(nèi)容為“在函數(shù)講解和應(yīng)用的過程中，你覺得困難嗎？”的調(diào)查中，其中選擇非常容易理解有46人，比較容易理解的為56人，非常難理解的有24人.因此，容易理解為92人，占送人數(shù)比例的80.95%。這說明學(xué)生對于通過虛擬情境學(xué)習(xí)的可以降低理解的難度持肯定的態(tài)度。

4.學(xué)習(xí)效果在內(nèi)容為“通過該系統(tǒng)的使用，你是否會主動學(xué)習(xí)？”的調(diào)查中，選擇肯定的為104人，選擇否定的為22人，選擇主動學(xué)習(xí)的占總?cè)藬?shù)比例的82.53%；在內(nèi)容為“該系統(tǒng)是否能夠改進您的學(xué)習(xí)方式？”調(diào)查中，選擇肯定的為106人，選擇否定為20人，選擇能夠改進學(xué)習(xí)方式占總?cè)藬?shù)比例的84.12%。這說明學(xué)習(xí)的效果是讓學(xué)生滿意的。

通過以上反饋調(diào)查，表明了學(xué)生采用此方法的學(xué)習(xí)具有一定的效果，因此該學(xué)習(xí)方法可以引導(dǎo)學(xué)生樹立學(xué)習(xí)觀念，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

通過針對《C語言程序設(shè)計》課程的應(yīng)用，將認知學(xué)徒制和虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行了結(jié)合，取得了一定的效果，但還存在很多的不足需要進一步研究。例如高職的課程隨著專業(yè)不同課程內(nèi)容不同，如何能夠針對每一門課程應(yīng)用虛擬情境系統(tǒng)是下一步研究的方向，目前基于圖形圖像的很多技術(shù)都在日新月異，如何改善虛擬情境系統(tǒng)是下一步不斷完善的過程。

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責(zé)任編輯 時紅兵